JP6706274B2 - 発電機用プロペラ装置 - Google Patents

Description

この発明は、発電機の回転軸を回転させる発電機用プロペラ装置に関する。

従来、プロペラ本体と、プロペラ本体よりも径方向外側に設けられ、テーパー形状に形成されたカバーとを備えた発電機用プロペラ装置が知られている。カバーは、プロペラ本体から下流側に向かって延びている。また、カバーは、下流に向かうにつれて径方向寸法が大きくなるように配置されている。カバーの内側を空気が流れると、プロペラ本体が回転するとともに、カバーよりも下流側の空間に負圧の空間が形成される。これにより、カバーの内側を流れる空気の速度が上昇する。その結果、プロペラ本体の回転速度が上昇する（例えば、特許文献１参照）。

特許第５０３０１２２号公報

しかしながら、カバーがプロペラ本体よりも径方向外側に配置されている。これにより、カバーが大きくなってしまう。その結果、発電機用プロペラ装置が大型化してしまうという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型化を図ることができる発電機用プロペラ装置を提供するものである。

この発明に係る発電機用プロペラ装置は、回転中心部および回転中心部から径方向外側に向かって延びる複数枚の翼を有し、回転可能に設けられた第１プロペラと、第１プロペラから下流に向かって延びて設けられ、テーパー形状に形成されたカバーと、カバーの径方向内側に回転可能に設けられた第２プロペラとを備え、カバーは、第１プロペラから下流に向かうにつれて径方向寸法が大きくなるように配置されており、カバーの下流側端部における径方向寸法は、回転中心部における中心軸線から翼における径方向外側部分までの寸法である第１プロペラの径方向寸法よりも小さく、第１プロペラの直径寸法に対する第１プロペラの周速比の比は、第２プロペラの直径寸法に対する第２プロペラの周速比の比と一致する。

この発明に係る発電機用プロペラ装置によれば、カバーの径方向寸法は、第１プロペラの径方向寸法よりも小さい。これにより、カバーを小さくすることができる。その結果、発電機用プロペラ装置の小型化を図ることができる。

この発明の実施の形態１に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図である。 図１の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。 図２のカバーの変形例を示す側面図である。 図２のカバーの変形例を示す側面図である。 この発明の実施の形態２に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図である。 図５の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。 図６のカバーを示す斜視図である。 図７のカバーの変形例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図である。 図９の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。 この発明の実施の形態４に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図である。 図１１の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。 図１２のカバーの変形例を示す側面図である。 図１２のカバーの変形例を示す側面図である。 この発明の実施の形態５に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図である。 図１５の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。 この発明の実施の形態６に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図である。 図１７の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図、図２は、図１の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。発電機用プロペラ装置は、流体の流れのエネルギーを回転エネルギーに変換する。流体としては、空気、水などが挙げられる。発電機用プロペラ装置は、回転可能に設けられた第１プロペラ１と、第１プロペラ１から下流に向かって延びて設けられたカバー２とを備えている。第１プロペラ１は、図示しない発電機の回転軸に接続される。第１プロペラ１は、カバー２よりも上流側に配置される。

第１プロペラ１は、円柱形状の回転中心部１１と、回転中心部１１に設けられた３枚の翼１２とを有している。以下、径方向とは、回転中心部１１についての径方向とする。また、周方向とは、回転中心部１１についての周方向とする。また、軸方向とは、回転中心部１１についての軸方向とする。翼１２は、回転中心部１１から径方向外側に向かって延びるように、回転中心部１１に固定されている。３枚の翼１２は、周方向に等間隔に並べて配置されている。第１プロペラ１は、周方向に回転する。第１プロペラ１が回転することによって、発電機の回転軸が回転する。発電機の回転軸は、水平方向に延びて配置される。言い換えれば、発電機用プロペラ装置が用いられる発電機は、水平軸発電機となっている。

カバー２は、テーパー形状の形成されている。言い換えれば、カバー２は、円錐形状に形成されている。カバー２は、第１プロペラ１から下流に向かうにつれて径方向寸法が大きくなるように配置されている。カバー２の側壁２１は、上流側端部から下流側端部に向かうにつれて、径方向寸法が一定の割合で増加するように形成されている。カバー２の径方向寸法Ｌ_１は、第１プロペラ１の径方向寸法Ｌ_２よりも小さくなっている。この例では、カバー２の径方向寸法Ｌ_１とは、カバー２の下流側端部における径方向寸法である。

カバー２は、カバー２の中心軸線および第１プロペラ１の中心軸線が同一直線上に配置されるように、第１プロペラ１に固定されている。言い換えれば、カバー２は、第１プロペラ１と同軸上に配置されている。第１プロペラ１とカバー２とを互いに固定する方法としては、第１プロペラ１およびカバー２を一体に形成する方法、第１プロペラ１およびカバー２を別々に形成した後に、カバー２と第１プロペラ１とを互いに接着する方法などが挙げられる。

次に、発電機用プロペラ装置の動作について説明する。カバー２よりも上流側からカバー２よりも下流側に向かって流体が流れると、第１プロペラ１に流体が当たる。これにより、第１プロペラ１が回転する。カバー２が第１プロペラ１に固定されていることによって、カバー２は、第１プロペラ１と同期して回転する。流体がカバー２の側壁２１に沿って流れると、カバー２よりも下流側の空間に負圧の空間が形成される。これにより、カバー２の径方向内側を流れる流体の速度が上昇する。その結果、第１プロペラ１の回転速度が上昇する。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る発電機用プロペラ装置によれば、カバー２の径方向寸法Ｌ_１は、第１プロペラ１の径方向寸法Ｌ_２よりも小さい。これにより、カバー２を小さくすることができる。その結果、発電機用プロペラ装置の小型化を図ることができる。

また、カバー２は、第１プロペラ１に固定されている。これにより、カバー２を支持するための支柱を設置する必要がない。したがって、第１プロペラ１が支柱の近くを通過する時に発生する圧力変動が防止される。その結果、発電機用プロペラ装置の効率を向上させることができる。

また、カバー２が第１プロペラ１よりも下流に配置され、カバー２が第１プロペラ１に固定される。これにより、カバー２が風見鶏の機能を果たす。したがって、風見鶏を新たに設置する必要がない。その結果、発電機用プロペラ装置の小型化を図ることができる。

また、カバー２が風見鶏の機能を果たすことによって、流体の流れる方向の変化に対して第１プロペラ１の向く方向を容易に追従させることができる。その結果、流体の流れる方向が変化する時に発生する発電機用プロペラ装置の効率の低下を抑制することができる。

また、カバー２が第１プロペラ１に固定されることによって、第１プロペラ１の強度を向上させることができる。その結果、第１プロペラ１を、安価な材料を用いて製造することができる。

なお、実施の形態１では、カバー２がテーパー形状に形成されている構成について説明した。これに対して、例えば、図３に示すように、カバー２の側壁２１における軸方向中間部が径方向外側に突出するように、カバー２の側壁２１が湾曲する構成であってもよい。また、図４に示すように、カバー２の側壁２１における軸方向中間部が径方向内側に突出するように、カバー２の側壁２１が湾曲する構成であってもよい。

また、実施の形態１では、カバー２が第１プロペラ１に固定された構成について説明したが、カバー２が第１プロペラ１に固定されていない構成であってもよい。この場合に、カバー２を支持する支柱を設置する必要がある。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図、図６は、図５の発電機用プロペラ装置を示す側面図、図７は、図６のカバーを示す斜視図である。カバー２には、翼１２が嵌合される３個のスリット２２が形成されている。３個のスリット２２は、周方向に等間隔に並べて配置されている。スリット２２は、カバー２における上流側端部から下流側に向かって真っすぐに延びて形成されている。スリット２２に翼１２が嵌合されることによって、カバー２が第１プロペラ１に固定されている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態２に係る発電機用プロペラ装置によれば、カバー２は、スリット２２に第１プロペラ１が嵌合されることによって、第１プロペラ１に固定されている。これにより、軸方向についてのカバー２の寸法を小さくすることができる。その結果、発電機用プロペラ装置の小型化を図ることができる。また、スリット２２に第１プロペラ１が嵌合されることによって、カバー２と第１プロペラ１との間の距離が短くなる。これにより、カバー２による集風効果を向上させることができる。

なお、実施の形態２では、スリット２２がカバー２における上流側端部から下流側に向かって真っすぐに延びて形成されている構成について説明した。これに限らず、例えば、図８に示すように、スリット２２がカバー２における上流側端部から下流側に向かうにつれて周方向に延びて形成されてもよい。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図、図１０は、図９の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。発電機用プロペラ装置は、カバー２の外周面であって下流側部分に設けられたリブ３を備えている。リブ３は、カバー２の外周面から径方向外側に延びて形成されている。リブ３は、円環形状に形成されている。その他の構成は、実施の形態２と同様である。なお、その他の構成は、実施の形態１と同様であってもよい。

流体がカバー２の側壁２１に沿って流れると、流体がリブ３に沿って流れる。これにより、カバー２よりも下流側の空間に形成される負圧の空間がより大きくなる。これにより、カバー２の径方向内側を流れる流体の速度がより上昇する。その結果、第１プロペラ１の回転速度がより上昇する。

以上説明したように、この発明の実施の形態３に係る発電機用プロペラ装置によれば、カバー２の外周面であって下流側部分にリブ３が設けられ、リブ３は、カバー２の外周面から径方向外側に延びて形成されている。これにより、カバー２よりも下流側の空間により大きな負圧の空間を形成することができる。したがって、カバー２の内側を流れる空気の速度をより上昇させることができる。その結果、プロペラ本体の回転速度をより上昇させることができる。

また、リブ３がカバー２の外周面であって下流側部分に設けられる。これにより、リブ３が風見鶏の機能を果たす。したがって、流体の流れる方向の変化に対して第１プロペラ１の向く方向をより容易に追従させることができる。その結果、流体の流れる方向が変化する時に発生する発電機用プロペラ装置の効率の低下をより確実に抑制することができる。

実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図、図１２は、図１１の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。カバー２は、円筒形状に形成されている。カバー２は、第１プロペラ１から下流に向かって延びて配置されている。カバー２は、第１プロペラ１に固定されている。カバー２の径方向寸法Ｌ_１は、第１プロペラ１の径方向寸法Ｌ_２よりも小さくなっている。その他の構成は、実施の形態３と同様である。なお、その他の構成は、実施の形態１または実施の形態２と同様であってもよい。

以上説明したように、この発明の実施の形態４に係る発電機用プロペラ装置によれば、カバー２は、円筒形状に形成されている。これにより、カバー２を容易に製造することができる。また、カバー２の径方向寸法Ｌ_１は、第１プロペラ１の径方向寸法Ｌ_２よりも小さい。これにより、カバー２を小さくすることができる。その結果、発電機用プロペラ装置の小型化を図ることができる。

なお、上記実施の形態４では、カバー２が円筒形状に形成されている構成について説明した。これに対して、例えば、図１３に示すように、カバー２の側壁２１における軸方向中間部が径方向外側に突出するように、カバー２の側壁２１が湾曲する構成であってもよい。また、図１４に示すように、カバー２の側壁２１における軸方向中間部が径方向内側に突出するように、カバー２の側壁２１が湾曲する構成であってもよい。

実施の形態５．
図１５は、この発明の実施の形態５に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図、図１６は、図１５の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。発電機用プロペラ装置は、第１プロペラ１よりも下流側であって、カバー２よりも径方向内側に設けられた第２プロペラ４と、第２プロペラ４を第１プロペラ１に対して固定する固定部材５とを備えている。

第２プロペラ４は、回転中心部４１と、回転中心部４１に設けられた３枚の翼４２とを有している。回転中心部４１は、回転中心部１１に対して、軸方向に重なるように配置されている。翼４２は、回転中心部４１から径方向について外側に向かって延びるように、回転中心部４１に固定されている。３枚の翼４２は、周方向に等間隔に並べて配置されている。３枚の翼４２は、３枚の翼１２に対して、軸方向に重ならないように配置されている。言い換えれば、翼４２は、軸方向に視た場合に、周方向に隣り合う翼１２の間に配置されている。なお、翼４２は、軸方向に視た場合に、翼１２と重なるように配置されてもよい。言い換えれば、翼４２の位置は、翼１２の位置に対して関係なくてもよい。また、翼１２の枚数および翼４２の枚数は、３枚に限らず、その他の枚数であってもよい。

固定部材５は、回転中心部１１および回転中心部４１を貫通する３本のボルト５１と、３本のボルト５１のそれぞれに１つずつ嵌合された３個のナット５２とを有している。ナット５２がボルト５１に嵌合されることによって、第２プロペラ４が第１プロペラ１に固定される。これにより、第２プロペラ４は、第１プロペラ１と同期して回転する。また、第２プロペラ４が第１プロペラ１に固定されることによって、第２プロペラ４は、カバー２に対しても固定される。これにより、第２プロペラ４は、カバー２と同期して回転する。

第１プロペラ１は、揚力型プロペラとなっている。第２プロペラ４は、抗力型プロペラとなっている。揚力型プロペラは、ソリディティが小さく、かつ、周速比が大きい。したがって、揚力型プロペラは、高速回転に適している。また、揚力型プロペラは、大きな回転エネルギーを得ることができる。一方、抗力型プロペラは、ソリディティが大きく、かつ、周速比が小さい。したがって、抗力型プロペラは、低速回転時に高トルクを得ることができる。なお、抗力型プロペラは、高速回転時にもトルクが発生する。第１プロペラ１を揚力型プロペラとし、第２プロペラ４を抗力型プロペラとすることによって、流体の速度が低速度の場合に第２プロペラ４から高トルクを得ることができ、流体の速度が高速度の場合に第１プロペラ１から大きな回転エネルギーを得ることができる。また、第１プロペラ１および第２プロペラ４の両方のトルクおよびパワーが合算される。これにより、発電機用プロペラ装置の効率を向上させることができる。

第１プロペラ１と第２プロペラ４との間の直径寸法の比と、第１プロペラ１と第２プロペラ４との間の周速比の比とが互いに等しくなるように設計されている。言い換えれば、第１プロペラ１の直径寸法に対する第１プロペラ１の周速比の比は、第２プロペラ４の直径寸法に対する第２プロペラ４の周速比の比と一致する。周速比λは、下記の式（１）によって表される。ここで、Ｖ_ｐは、プロペラの先端部の回転速度（ｍ／ｓ）であり、Ｖ_ｗは、流体の速度（ｍ／ｓ）である。

λ＝Ｖ_ｐ／Ｖ_ｗ （１）

プロペラの回転数Ｎは、下記の式（２）によって表される。ここで、Ｄはプロペラの直径寸法である。

Ｎ＝Ｖ_ｐ／（πＤ） （２）

上記の式（１）および上記の式（２）から下記の式（３）が得られる。

Ｎ＝Ｖ_ｗ・λ／（πＤ） （３）

第１プロペラ１および第２プロペラ４は、互いに固定されているので、第１プロペラ１および第２プロペラ４は、互いに同期して回転する。したがって、第１プロペラ１の回転数と第２プロペラ４の回転数とは、互いに一致する。第１プロペラ１の直径寸法をＤ_１とし、第１プロペラ１の周速比をλ_１とし、第２プロペラ４の直径寸法をＤ_２とし、第２プロペラ４の周速比をλ_２とすると、下記の式（４）が得られる。

Ｖ_ｗ・λ_１／（πＤ_１）＝Ｖ_ｗ・λ_２／（πＤ_２） （４）

上記の式（４）から下記の式（５）が得られる。

λ_１／Ｄ_１＝λ_２／Ｄ_２ （５）

上記の式（５）を満たすように第１プロペラ１および第２プロペラ４を設計することによって、第１プロペラ１および第２プロペラ４の両方とも、同じ流体速度で最大の効率が得られる。その他の構成は、実施の形態３と同様である。なお、その他の構成は、実施の形態１、２および４の何れかと同様であってもよい。

以上説明したように、この発明の実施の形態５に係る発電機用プロペラ装置によれば、カバー２の径方向内側に第２プロペラ４が回転可能に設けられている。これにより、第１プロペラ１に発生するトルクに加えて、第２プロペラ４に発生するトルクを用いて、発電機の回転軸を回転させることができる。その結果、発電機用プロペラ装置の効率を向上させることができる。

また、第２プロペラ４は、第１プロペラ１と同期して回転する。これにより、翼１２と翼４２とが、軸方向について互いに重なることを防止することができる。その結果、発電機用プロペラ装置の効率を向上させることができる。

また、第１プロペラ１は、揚力型プロペラであり、第２プロペラ４は、抗力型プロペラである。これにより、流体の速度が低速度の場合に高トルクを得ることができ、流体の速度が高速度の場合に大きな回転エネルギーを得ることができる。

第１プロペラ１の直径寸法Ｄ_１に対する第１プロペラ１の周速比λ_１の比は、第２プロペラ４の直径寸法Ｄ_２に対する第２プロペラ４の周速比λ_２の比と一致する。これにより、第１プロペラ１および第２プロペラ４の両方とも、同じ流体速度で最大の効率を得ることができる。

なお、上記実施の形態５では、第１プロペラ１が第２プロペラ４よりも上流側に配置された構成について説明した。これに対して、第２プロペラ４が第１プロペラ１よりも上流側に配置されてもよい。

また、上記実施の形態５では、第２プロペラ４が第１プロペラ１に固定される構成について説明した。これに対して、第２プロペラ４がカバー２の側壁２１の内周面に固定される構成であってもよい。この場合、第２プロペラ４の強度を向上させることができる。その結果、第２プロペラ４を、安価な材料を用いて製造することができる。第２プロペラ４とカバー２とを互いに固定する方法としては、第２プロペラ４およびカバー２を一体に形成する方法、第２プロペラ４およびカバー２を別々に形成した後に、第２プロペラ４とカバー２とを互いに接着する方法などが挙げられる。

また、上記実施の形態５では、第２プロペラ４が抗力型プロペラである構成について説明した。これに対して、第２プロペラ４が揚力型プロペラである構成であってもよい。この場合であっても、第１プロペラ１および第２プロペラ４の両方のトルクおよびパワーが合算される。

実施の形態６．
図１７は、この発明の実施の形態６に係る発電機用プロペラ装置を示す正面図、図１８は、図１７の発電機用プロペラ装置を示す側面図である。発電機用プロペラ装置は、カバー２の側壁２１の外周面に第１プロペラ６が固定されている。第１プロペラ６は、３枚の翼６１から構成されている。３枚の翼６１は、カバー２の外周面から径方向外側に向かって延びて形成されている。３枚の翼６１は、周方向に等間隔に並べて配置されている。第１プロペラ６は、カバー２よりも径方向内側に設けられていない。その他の構成は、実施の形態５と同様である。なお、その他の構成は、実施の形態１から実施の形態４までの何れかと同様であってもよい。

以上説明したように、この発明の実施の形態６に係る発電機用プロペラ装置によれば、第１プロペラ６は、カバー２の側壁２１の外周面に設けられており、カバー２の外周面から径方向外側に延びて形成されている。これにより、第１プロペラ６と第２プロペラ４との間で、流れる流体の干渉を防止することができる。その結果、発電機用プロペラ装置の高効率化を図ることができる。

実施の形態５のように、カバー２よりも径方向内側に、第１プロペラ１および第２プロペラ４が配置される場合には、第１プロペラ１によって発生する流体の流れの乱れによって、第２プロペラ４に向かう流体の流れの流入角度が変化する可能性がある。この場合に、第２プロペラ４の効率を低下させる可能性がある。これに対して、実施の形態６では、第１プロペラ６がカバー２の径方向外側に配置されているので、第２プロペラ４の効率を向上させることができる。

１ 第１プロペラ、２ カバー、３ リブ、４ 第２プロペラ、５ 固定部材、６ 第１プロペラ、１１ 回転中心部、１２ 翼、２１ 側壁、２２ スリット、４１ 回転中心部、４２ 翼、５１ ボルト、５２ ナット、６１ 翼。

Claims (8)

1. 回転中心部および前記回転中心部から径方向外側に向かって延びる複数枚の翼を有し、回転可能に設けられた第１プロペラと、
   前記第１プロペラから下流に向かって延びて設けられ、テーパー形状に形成されたカバーと、
   前記カバーの径方向内側に回転可能に設けられた第２プロペラと
   を備え、
   前記カバーは、前記第１プロペラから下流に向かうにつれて径方向寸法が大きくなるように配置されており、
   前記カバーの下流側端部における径方向寸法は、前記回転中心部における中心軸線から前記翼における径方向外側部分までの寸法である前記第１プロペラの径方向寸法よりも小さく、
   前記第１プロペラの直径寸法に対する前記第１プロペラの周速比の比は、前記第２プロペラの直径寸法に対する前記第２プロペラの周速比の比と一致する発電機用プロペラ装置。
2. 前記カバーの外周面であって下流側の部分に設けられ、前記カバーの外周面から径方向外側に延びるリブをさらに備えた請求項１に記載の発電機用プロペラ装置。
3. 回転中心部および前記回転中心部から径方向外側に向かって延びる複数枚の翼を有し、回転可能に設けられた第１プロペラと、
   前記第１プロペラから下流に向かって延びて設けられ、円筒形状に形成されたカバーと、
   前記カバーの外周面であって下流側の部分に設けられ、前記カバーの外周面から径方向外側に延びるリブと、
   前記カバーの径方向内側に回転可能に設けられた第２プロペラと
   を備え、
   前記カバーの径方向寸法は、前記回転中心部における中心軸線から前記翼における径方向外側部分までの寸法である前記第１プロペラの径方向寸法よりも小さく、
   前記第１プロペラの直径寸法に対する前記第１プロペラの周速比の比は、前記第２プロペラの直径寸法に対する前記第２プロペラの周速比の比と一致する発電機用プロペラ装置。
4. 前記カバーは、前記第１プロペラに固定されている請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の発電機用プロペラ装置。
5. 前記カバーには、前記第１プロペラが嵌合されるスリットが形成されており、
   前記カバーは、前記スリットに前記第１プロペラが嵌合されることによって、前記第１プロペラに固定されている請求項４に記載の発電機用プロペラ装置。
6. 前記第２プロペラは、前記カバーに固定されている請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の発電機用プロペラ装置。
7. 前記第２プロペラは、前記第１プロペラと同期して回転する請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の発電機用プロペラ装置。
8. 前記第１プロペラは、揚力型プロペラであり、前記第２プロペラは、抗力型プロペラである請求項１から請求項７までの何れか一項に記載の発電機用プロペラ装置。

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